DE68902589T2

DE68902589T2 - Einrichtung zur messung der nichtreziproken phasenverschiebung mit erweitertem bereich, die in einem ringinterferometer hervorgerufen wird, und verfahren dieser messung.

Info

Publication number: DE68902589T2
Application number: DE8989401560T
Authority: DE
Inventors: Herve Lefevre; Marc Turpin
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-06-10
Filing date: 1989-06-06
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2009-06-07
Also published as: CA1330716C; EP0346213B1; EP0346213A3; DE68902589D1; JP2740264B2; FR2632732B1; US4969017A; JPH0236308A; FR2632732A1; EP0346213A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen in einem weiten Bereich einer in einem Ring-Interferometer erzeugten nicht reziproken Phasenverschiebung und auf das zugehörige Meßverfahren.
Insbesondere bezieht sie sich auf ein Lichtleitfaser-Gyrometer und auf ein Verfahren zum Messen der Rotationsgeschwindigkeit.
Eine frühere Verbesserung von Lichtleitfaser-Gyrometern ist in dem französischen Patent Nr. 84 09311 (EP-A-0168292) beschrieben worden. Dieses Patent beschreibt ein Lichtleitfaser-Gyrometer, das eine Phasenverschiebungseinrichtung enthält. Die Steuerung der Phasenverschiebung wird durch einen Regelkreis oder vorteilhafterweise durch einen doppelten Regelkreis, in dem der zweite Kreis die Korrekturen der Größenbestimmung durch den ersten Kreis ausführt, erhalten. Die in dem Patent FR-84 09311 beschriebene Einrichtung erlaubt die Bearbeitung bei der maximalen Energie eines Interferenzstreifens und somit die Erzielung einer verbesserten Empfindlichkeit und eines verbesserten Signal-/Rauschverhältnisses. Die eingeführte Phasenverschiebung kann jedoch nicht auf undefinierte Weise zunehmen. Somit besitzt das Phasenverschiebungssignal eine periodische Schwankung.
Die in dem Patent FR-84 0931 beschriebene Einrichtung arbeitet in einem begrenzten Winkelgeschwindigkeitsbereich perfekt. Die Regelkreise gestatten die Kompensation kleiner Rotationsgeschwindigkeiten. Jedoch besteht bei zu hohen Rotationsgeschwindigkeiten die Gefahr, daß die Regelungseinrichtung nicht mehr auf dem Interferenzstreifen 0-ter Ordnung, sondern auf einem nachfolgenden Interferenzstreifen einrastet. Die Einrichtung "arbeitet" weiterhin perfekt, wenn davon abgesehen wird, daß nicht die Phasenverschiebung zwischen demjenigen Interferenzstreifen, für den die Regelung wirklich ausgeführt wird, und dem mittleren Interferenzstreifen (der Ordnung 0) betrachtet wird. Daraus folgt, daß die Messungen außerhalb des Arbeitsbereichs des Gyrometers fehlerhaft sind. Außerdem besteht bei diesem Einrasten die Gefahr, daß es sich stabilisiert, außerdem besteht bei den Messungen die Gefahr, daß sie während einer langen Periode fehlerhaft sind.
Mit der Einrichtung der vorliegenden Erfindung kann bei einer sehr großen Erweiterung des Bereichs der meßbaren Werte die Meßgenauigkeit der im Patent FR-84 09311 beschriebenen Einrichtung erhalten werden. Hierzu umfaßt eine Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Mittel, die festzustellen erlauben, auf welchem Interferenzstreifen bearbeitet wird. In diesem Fall weist ein Einrasten auf einem anderen Streifen in dem Maße nicht mehr die Nachteile auf, in dem bei der Bestimmung der Geschwindigkeit die zusätzliche Phasenverschiebung berücksichtigt wird, die durch die Tatsache hervorgerufen wird, daß nicht auf dem mittleren Streifen bearbeitet wird. Die Mittel zum Messen der Ordnung des Interferenzstreifens, auf dem die Regelkreise eingerastet sind, sind beispielsweise dadurch gegeben, daß entweder ununterbrochen oder periodisch der Vergleich der Messungen bei verschiedenen Frequenzen ausgeführt wird. Bei verschiedenen Frequenzen ist nur der Nulldurchgang des mittleren Streifens stabil. Durch die Modulationsschwankung des Nulldurchgangs mit der Frequenz kann bestimmt werden, auf welchem Interferenzstreifen man sich befindet, so daß infolgedessen die notwendige Kompensation bei der Bestimmung der richtigen Rotationsgeschwindigkeit ausgeführt werden kann.
Die Erfindung hat hauptsächlich ein Lichtleitfaser-Gyrometer, wie es in den Ansprüchen 1 bis 5 beschrieben ist, zum Gegenstand. Die Erfindung hat außerdem ein Verfahren zum Messen der Rotationsgeschwindigkeit, wie es in den Ansprüchen 6 bis 11 beschrieben ist, zum Gegenstand.
Die Erfindung wird besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Figuren, die als nicht beschränkende Beispiele gegeben sind, von denen:
- die Fig. 1 ein Schema eines Lichtleitfaser-Interferrometers ist, das im Patent FR- 84 09311 beschrieben ist;
- die Fig. 2 ein Schema ist, das die Nachteile der Einrichtungen bekannten Typs erläutert;
- die Fig. 3 ein Schema ist, das das Prinzip der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
- die Fig. 4 ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Lichtleitfaser-Gyrometers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- die Fig. 5 die Prinzipien der Messungen erläutert, die an einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
In den Fig. 1 bis 5 sind für die Bezeichnung der gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet worden.
In Fig. 1 ist ein Lichtleitfaser-Gyrometer bekannten Typs gezeigt, wie es im Patent FR- 84 09311 beschrieben ist. Die Einrichtung umfaßt eine Quelle S für kohärentes Licht 1. Das kohärente Licht 1 wird durch eine Teilereinrichtung M in zwei Strahlen geteilt. Das Licht pflanzt sich in einem Ring 2, der durch eine Windung einer Lichtleitfaser gebildet ist, in einem ersten Richtungssinn und in einem zweiten Richtungssinn fort. Das Licht bewegt sich beim Eintritt in die Windung im Richtungssinn 2 und beim Austritt aus der Windung im Richtungssinn 1 in eine Phasenverschiebungseinrichtung φ. Am Ausgang schickt die Teilereinrichtung M das Licht 3, das sich durch den Ring 2 im Richtungssinn 1 und im Richtungssinn 2 bewegt hat, an eine Erfassungseinrichtung D. Die Erfassungseinrichtung D empfängt von einer Steuerschaltung CC ein Synchronisationssignal SY. Die Phasenverschiebungseinrichtung empfängt von der Steuerschaltung CC ein Steuersignal VC für die Steuerung der Phasenverschiebung.
In Fig. 2 ist eine Kurve 100 gezeigt, die die Amplitude A des Signals 3 am Ausgang des Rings 2 von Fig. 1 in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung ΔΦ darstellt. Mit dem System von Fig. 1 kann einerseits bei den im wesentlichen linearen Anteilen der Sinuswelle bearbeitet werden, andererseits kann eine Interferenz auf die optimale erfaßte Leistung eingestellt werden.
Im Normalbetrieb stellt daher die Regelung die Phasenverschiebungen auf den Punkt 0 des Schnittpunktes der Achsen ΔΦ und A ein, was der Tatsache entspricht, daß am Streifen 0-ter Ordnung der Interferenz gearbeitet wird. Wenn jedoch beim Phasenverschiebungsgrad ein Schwellenwert, nämlich π oder -π überschritten wird, besteht bei der Regelung die Gefahr, daß das Signal nicht mehr auf die Phasenverschiebung Null, sondern auf einen anderen Schnittpunkt der Kurve 100 mit der Achse ΔΦ wie etwa π, 2π, 3π oder, bei entgegengesetzter Rotationsgeschwindigkeit -π, -2π, -3π, eingestellt wird. Dies entspricht dem Übergehen eines oder mehrerer Interferenzstreifen. Die Richtungen der von den Regelungen herbeigeführten Korrekturen sind durch Pfeile dargestellt.
Das erste Problem rührt von der Tatsache her, daß man dies sicherlich nicht wahrnehmen kann und, wenn man es wahrnehmen könnte, man nicht wüßte, auf welchem Streifen man sich befindet. Somit kann das Ergebnis des Wertes der erfaßten Phasenverschiebung ΔΦ fehlerhaft sein.
Die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Ausführung einer Einstellung auf vom Streifen 0-ter Ordnung verschiedene Interferenzstreifen, indem sie die Identifikation eines jeden dieser Interferenzstreifen ermöglicht.
In Fig. 3 entsprechen die einzelnen Interferenzstreifen verschiedenen Bereichen der Phasenverschiebung. Der Referenzbereich 0 entspricht der Bearbeitung um die Phasenverschiebung 0, d. h. den mittleren Interferenzstreifen. Die Streifen der Ordnung 1, die einer Phasenverschiebung ΔΦ von -π oder +π entsprechen, sind mit -I und +I numeriert. Die Interferenzstreifen der Ordnung 2, die der Phasenverschiebung von -2π und +2π entsprechen, sind in Fig. 3 mit -II und +II bezeichnet, usw.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, mit der die Bestimmung möglich ist, bei welchem Interferenzstreifen bearbeitet wird, um daraus die Rotationsgeschwindigkeit abzuleiten. In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird an der Quelle S kohärenten Lichts eine Frequenzmodulation ausgeführt.
Diese Modulation hat zum Ziel, wenigstens zwei Frequenzen zu erhalten und somit auf wenigstens zwei Wellenlängen zu arbeiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das im Diagramm der Fig. 5 gezeigt ist, ist die Arbeit auf drei Frequenzen vorgesehen. Daher wird beispielsweise auf einer mittleren Wellenlänge und auf zwei von dieser mittleren Wellenlänge abgeleiteten Wellenlängen gearbeitet.
Mit der mittleren Wellenlänge kann das Gyrometer so arbeiten, wie es in der bereits zitierten Patentanmeldung beschrieben ist, insbesondere können die Doppelregelkreise so betrieben werden, daß der Arbeitspunkt des Interferometers auf einen Schnittpunkt der mittleren Kurve 100 mit der Achse ΔΦ, d. h. auf einen der Punkte -π, 0, 2π, usw. zurückgeführt wird.
Nur der mittlere Nulldurchgang ist von der Wellenlänge unabhängig. Die Verschiebung der Interferenzstreifen verschiedener Wellen nimmt bei einer Entfernung von der Ordnung 0 zu. An den vom mittleren Nulldurchgang verschiedenen Punkten (-π, π, 2π usw.) wird der Nulldurchgang mit der Frequenz der Modulation der Quelle moduliert, wobei die Amplitude umso größer ist, je größer die Entfernung vom mittleren Nulldurchgang ist. Diese Modulationstiefe ist in Fig. 5 durch die Strecke 19-20 im Punkt π und durch die Strecke 17-18 im Punkt 2π dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß diese Modulationstiefe bei einer Entfernung vom mittleren Nulldurchgang zunimmt.
Das Ausmaß dieser Modulationstiefe erlaubt die Bestimmung, an welchem Arbeitspunkt -π, 0, π, 2π usw. man sich befindet. Das Verfahren der Erfindung erlaubt somit die Vergrößerung des Arbeits-Meßbereichs des im zitierten Patent beschriebenen Gyrometers.
Allgemein arbeitet das Verfahren der Erfindung mit einer frequenzmodulierten Quelle S. Es wird mit einem Kontinuum von Wellenlängen gearbeitet, die zwischen zwei extremen Wellenlängen und einer mittleren Wellenlänge enthalten sind, was auf den obigen Betrieb zurückführt.
Bisher und insbesondere in der auf die Fig. 5 sich beziehenden Beschreibung ist ein Betrieb mit drei Frequenzen der Quelle S betrachtet worden. Das Verfahren der Erfindung und das daraus sich ergebende System arbeiten auch bei Verwendung von zwei Frequenzen. In diesem Fall dient eine der zwei Wellenlängen, beispielsweise diejenige, die zu der Kurve 101 von Fig. 5 Anlaß gibt, der Einstellung der Doppelregelung auf eine Art, wie sie bereits aus der oben zitierten Patentanmeldung bekannt ist. Die Erfassung des Arbeitspunktes (-π, 0, π, 2π usw.) erfolgt dann auf die gleiche Weise wie oben auf den zwei Wellenlängen.
Um das Verfahren der Erfindung gemaß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems der Erfindung auszuführen, ist die Quelle S ein Halbleiterlaser. Damit ist es möglich, eine Frequenzmodulation zu erhalten, indem kraft einer Einrichtung MO eine Strommodulation des Halbleiterlasers ausgeführt wird. Die Strommodulation ruft in einem bestimmten Frequenzbereich eine Frequenzmodulation des von der Quelle S emittierten Lichts 1 hervor.
In einem ersten Fall ist die Modulation kontinuierlich, beispielsweise in Form von asymmetrischen Sägezähnen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, in Form von symmetrischen Sägezähnen oder in Form einer Sinuswelle. Die Modulationsfrequenz wird von einem Synchronisationssignal SY&sub2; ausgegeben, das von der Steuerschaltung CC2 erzeugt wird. Die Frequenz des Synchronisationssignals SY&sub2; ist beispielsweise ein Teiler der Frequenz des Signals VC zur Steuerung der Modulation des Phasenmodulators, das von der Steuerschaltung CC2 erzeugt wird. Das Signal VC wird von der Schaltung CC2 anhand eines Erfassungssignals SY0 bestimmt, welches von der Synchronizitätserfassungseinrichtung D2 geliefert wird. Die Schaltung CC2 erzeugt außerdem ein Synchronisationssignal SY&sub1;, das für den Betrieb der das Signal 3 des Rings 2 empfangenden Synchronizitätserfassungseinrichtung D2 notwendig ist.
Das System der Erfindung umfaßt außerdem eine Verarbeitungseinrichtung, die einerseits über eine Verbindung T1 ein Phasenverschiebungssignal, das aus zwei von der Steuerschaltung CC2 ausgeführten Einstellungen abgeleitet wird, und andererseits über eine Verbindung T2 nach der Einstellung durch die Schaltung CC2 und der Erzielung einer Funktion an einem der Punkte der Ordnung -π, 0, π, 2π usw. den Wert der Modulationstiefe (Interferenzstreifen von zwei von der Quelle S gesendeten Wellen) empfängt.
Die Schaltung TT bestimmt anhand der Amplitude des über die Verbindung T2 empfangenen Signals den Arbeitspunkt des Systems. Sie korrigiert daher das über die Verbindung T1 empfangene Phasenverschiebungssignal.
Das Meßergebnis wird auf einer Anzeigeeinrichtung 200 angezeigt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Modulation der Quelle S nicht ständig ausgeführt. Die Quelle S arbeitet außer in Zeitpunkten, die beispielsweise zeitlich periodisch verteilt sind und in denen die Bestimmung notwendig ist, auf welchen Interferenzstreifen bearbeitet wird, bei einer festen Frequenz. Wenn der Frequenzstreifen einmal bestimmt worden ist, ist es möglich, während eines Zeitintervalls, von dem angenommen wird, daß in ihm keine Änderung des Interferenzstreifens auftreten wird, auf einer einzigen Frequenz zu arbeiten.
Um die Beschreibung des Systems der Erfindung zu vervollständigen, ist in Fig. 5 der Einfluß der Schwankung der optischen Frequenz und daher der Wellenlänge auf die in den Ring 2 von Fig. 1 eingeführte Phasenverschiebung gezeigt. In Fig. 5 sind außer der Kurve 100, die einer Wellenlänge λ entspricht, eine Kurve 101, die einer Wellenlänge λ- Δλ entspricht, und eine Kurve 102, die λ+Δλ entspricht, gezeigt.
Bei einer Phasenverschiebung Null verlaufen die drei Kurven 100, 101 und 102 durch den Punkt 0, dem Schnittpunkt der Achse ΔΦ mit der Achse A.
Dagegen besitzen bei einer Phasenverschiebung von π oder von -π der Kurve 100 der Wellenlängen die anderen Kurven 101 und 102 von Null verschiedene Amplituden A. Im Punkt π weist die Kurve 102 eine mit 20 bezeichnete positive Amplitude auf. In dem der Phasenverschiebung -π der Kurve 100 entsprechenden Punkt weist die Kurve 102 eine mit 24 bezeichnete positive Amplitude auf. In dem der Phasenverschiebung π der Kurve 100 entsprechenden Punkt weist die Kurve 101 eine mit 19 bezeichnete negative Amplitude A auf. In dem der Phasenverschiebung -π der Kurve 100 entsprechenden Punkt weist die Kurve 101 eine mit 23 bezeichnete negative Amplitude auf.
In dem der Phasenverschiebung von 2π der Kurve 100 entsprechenden Punkt weist die Kurve 101 eine mit 17 bezeichnete positive Amplitude auf.
Im Punkt, dessen Phasenverschiebung der Kurve 100 2π entspricht, weist die Kurve 102 eine mit 18 bezeichnete negative Amplitude auf.
Wie aus dem Beispiel von Fig. 5 ersichtlich ist, sind die Punkte 20 und 19, 17 und 18 in bezug auf die Achse symmetrisch verteilt. Die Amplituden nehmen daher in dem Maß zu, in dem die Entfernung vom Punkt 0 auf der Achse zunimmt.
Der bearbeitete Interferenzstreifen wird bestimmt, indem die Amplitudendifferenzen für die Kurven 101 und 102, etwa durch die Messung der Modulation des mittleren Nulldurchgangs, gemessen werden.
Es ist ersichtlich, daß sich die Differenz des Phasenverschiebungswertes für die Kurven 101 und 102 mit dem bearbeiteten Interferenzstreifen ändert. Die Amplitude der Modulation der Einstellung des Nulldurchgangs wird in dem Maße größer, in dem die Ordnung des Streifens ansteigt.
Es ist offensichtlich, daß die Erfassung und die Abtastung notwendigerweise synchron zur Modulation ausgeführt werden müssen.

Claims

1. Einrichtung zum Messen einer nicht reziproken Phasenverschiebung, die in einem Ring-Interferometer erzeugt wird, mit optischen Phasenverschiebungsmitteln (Φ) und Mitteln (CC2) zum Einstellen eines Interferenzstreifens, an dem die Messung der Phasenverschiebung ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie versehen ist mit Mitteln (D2, CC2, MO), die die Identifikation des bearbeiteten Interferenzstreifens ermöglichen, und Mitteln (TT), die die Ausführung von Meßkorrekturen erlauben, um eine eventuelle Phasenverschiebung in bezug auf den Interferenzstreifen 0-ter Ordnung zu berücksichtigen.

2. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie versehen ist mit einer Lichtquelle (S), die auf Befehl wenigstens zwei verschiedene Frequenzen aussendet, und Erfassungsmitteln (D2), die Mittel zum Messen der Modulationstiefe der Interferenzstreifen umfassen.

3. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärente Lichtquelle (S) ein Halbleiterlaser ist und daß sie Mittel (MO) für die Modulation des Steuerstroms und/oder des Versorgungsstroms für den Halbleiterlaser umfaßt.

4. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Phasenverschiebungsmittel (Φ) und die Einstellmittel (CC2) so beschaffen sind, daß sie bei einer der beiden von der Quelle (S) emittierten Frequenzen arbeiten.

5. Meßeinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (S) drei verschiedene Frequenzen emittiert, von denen eine eine Mittenfrequenz ist, wobei die optischen Phasenverschiebungsmittel (Φ) und die Einstellmittel (CC2) so beschaffen sind, daß sie bei der Mittenfrequenz arbeiten, und wobei die Mittel zum Messen der Amplitude (D2) bei den beiden anderen Frequenzen arbeiten.

6. Verfahren zum Messen einer nicht reziproken Phasenverschiebung in einem Ring-Interferometer durch den Vergleich der Phasen von Wellen, die in zwei entgegengesetzten Richtungen eines Rings einen Weg durchlaufen haben, entlang dem eine variable Phasenverschiebung der Wellen und eine Einstellung der Phasenverschiebung auf einen Interferenzstreifen ausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

- Bestimmung des bearbeiteten Interferenzstreifens;

- Kompensation einer eventuellen Phasenverschiebung in bezug auf den Streifen 0-ter Ordnung in den Messungen.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des bearbeiteten Interferenzstreifens mit Hilfe von wenigstens zwei verschiedenen Arbeitsfrequenzen durch die Messung der Amplitude der Interferenzen ausgeführt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzmodulation der Quelle, die Wellen in den zwei entgegengesetzten Richtungen des Rings emittiert, ausgeführt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in regelmäßigen Zeitintervallen eine Frequenzmodulation der Quelle, die die Wellen in den zwei entgegengesetzten Richtungen des Rings emittiert, ausgeführt wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des bearbeiteten Interferenzstreifens durch die Messung der Amplitude der Interferenzen, die zwei Frequenzen der Quelle entsprechen, ausgeführt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des bearbeiteten Interferenzstreifens durch den Vergleich der Amplitude des Signals von zwei verschiedenen Frequenzen bei derselben Phasenverschiebung ausgeführt wird.